Production of prebiotics using new culture techniques

Abstract

Given the increasing interest for healthier and high nutritional foods, the market of prebiotics like fructo-oligosaccharides (FOS) is currently growing. They can be produced via fermentation by several microorganisms with a maximum purity ranging between 55% and 60% (w/w). In order to increase the amount of FOS and their purity, the removal of the small sugars produced as by-products is crucial. In the present work, the FOS production in one step-fermentation, using the microorganisms’ whole cells of Aspergillus ibericus MUM 0.349, and their purification by Saccharomyces cerevisiae YIL162W, a yeast having the gene responsible for sucrose hydrolysis disrupted, was evaluated. The volume of the S. cerevisiae YIL162W inoculum and its respective inoculation time were optimized. The composition of the medium broth, as well as the temperature of fermentation and pH were optimized in shaken-flasks to yield a maximal FOS purity, through a central composite design (CCD). Afterwards, fermentation was scaled-up to a bioreactor size. Fermentations conducted in shakenflask using only A. ibericus yielded 0.65 ± 0.05 gFOS ginitial sucrose−1 with a purity of 60.4 ± 0.4% (w/w). The simultaneous inoculation of both species was the condition that yielded higher FOS purity. Consequently, by introducing the yeast in the broth, the percentage of FOS in the total sugar mixture increased approximately 30% (up to 91.6 ± 2.9% (w/w)). The CCD model showed that the yeast extract (YE) concentration and the temperature were the most significant factors affecting FOS purity. The optimum fermentation conditions were found to be 8.0 g L−1 of NaNO3, 6.0 g L−1 of KH2PO4 and 17.0 g L−1 of YE, 30.0 ºC and a pH of 6.0. Under these conditions, the model predicted a purity of 98.4% for assays conducted in shake flask vessels and, experimentally, a purity of 97.4 ± 0.2% (w/w) was obtained. After model validation, fermentations were carried out in the bioreactor and yielded 0.64 ± 0.02 gFOS ginitial sucrose−1, after 141 h, with a FOS content of 117.7 ± 5.1 g L−1 and a purity of 93.0 ± 0.5% (w/w). The fermentation carried out with aeration yielded 0.69 gFOS ginitial sucrose−1 with a purity of 95.4% (w/w) and a FOS content of 134.0 g L−1. In conclusion, this co-culture strategy was found to be a good alternative to produce and recover simultaneously high-purity FOS products.

Devido ao crescente interesse por alimentos saudáveis e de elevado valor nutritivo, o mercado dos prebióticos, como os fructo-oligossacarídeos (FOS), tem vindo a crescer. FOS podem ser produzidos por via fermentativa por diversos microrganismos com uma pureza máxima que varia entre 55 a e 60% (p/p). De maneira a aumentar a quantidade de FOS produzidos, bem como a sua pureza, é crucial remover os pequenos açúcares que se formam durante a fermentação. No presente trabalho avaliou-se a produção de FOS pelo fungo Aspergillus ibericus MUM 0.349 e a sua purificação, na mesma fermentação, pela Saccharomyces cerevisiae YIL162W, levedura cujo gene responsável pela hidrólise da sacarose foi removido. A composição do meio de fermentação bem como a temperatura de fermentação e o pH foram otimizados em matrazes para a obtenção de uma pureza em FOS máxima, através de um desenho experimental (CCD). As fermentações realizadas com A. ibericus conduziram a um rendimento de 0,65 ± 0,05 gFOS gsacarose inicial−1 e uma pureza de 60,4 ± 0,4% (p/p). A inoculação simultânea de ambas as espécies foi a melhor condição encontrada para otimizar a pureza dos FOS. Com a introdução da levedura no meio, a percentagem de FOS em açúcares totais aumentou em cerca de 30% (para 91,6 ± 2,9% (p/p)). O modelo experimental demostrou que a concentração de extrato de levedura e a temperatura são os fatores mais significativos a afetar a pureza dos FOS. As condições ótimas de fermentação obtidas foram 8,0 g L−1 de NaNO3, 6,0 g L−1 de KH2PO4 e 17,0 g L−1 de extrato de levedura, 30,0 ºC e um pH de 6,0. Nestas condições, o modelo previu uma pureza de FOS de 98,4%, e experimentalmente obteve-se uma pureza de 97,4 ± 0,2% (p/p). Após validação do modelo, as fermentações foram conduzidas em bioreator obtendo-se um rendimento de 0,64 ± 0,02 gFOS gsacarose inicial −1, após 141 h, com um teor em FOS de 117,7 ± 5,1 g L−1 e uma pureza de 93,0 ± 0,5% (p/p). A fermentação realizada com arejamento conduziu a um rendimento de 0,69 gFOS gsacarose inicial−1 e uma pureza de 95,4 %(p/p) com um teor em FOS de 134,0 g L−1. Em suma, esta estratégia de co-cultura foi considerada uma boa alternativa para produzir e recuperar produtos de FOS com elevada pureza.